Desde el túnel que albergaba el ahora retirado CERN Neutrinos hasta la instalación Gran Sasso (CNGS), AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) busca revolucionar el campo de la aceleración de partículas. La fuerte colaboración de 23 institutos tiene como objetivo introducir una alternativa viable y más eficiente a la aceleración de radiofrecuencia tradicional, con partículas cargadas (en este caso, electrones) "navegando" en las ondas de un campo de plasma (o "wakefield") generado por un manojo de protones corto e intenso disparado a través del plasma.

Si bien se ha demostrado que los campos de estela de plasma producen gradientes de aceleración hasta 1000 veces superiores a los que se logran con las cavidades de radiofrecuencia, su uso en experimentos de física de partículas y de alta energía se ha visto limitado por la naturaleza poco práctica de las técnicas actuales, que requieren la yuxtaposición de varios campos de plasma. Fuentes para lograr altas energías. AWAKE, por otro lado, es el primer experimento que investiga el uso de protones, en lugar de láseres o haces de electrones, para impulsar el plasma.

Para crear los campos de estela apropiados en el plasma para una aceleración de electrones eficiente, el largo haz de protones extraído hacia AWAKE del CERN Super Proton Synchrotron (SPS) debe dividirse en grupos más pequeños en un proceso conocido como modulación. En una Cartas de revisión física En un artículo publicado el 6 de julio, la colaboración mostró cómo se puede controlar dicha modulación del haz de protones al sembrar el proceso con electrones relativistas, un paso crucial hacia un acelerador basado en wakefield viable.

Para comprender el concepto de siembra, es necesario profundizar en la tecnología detrás de AWAKE. El haz de protones del SPS se inyecta en una fuente de vapor que contiene rubidio, que se transforma en plasma (un estado de gas ionizado) mediante un pulso de láser que precede al grupo de protones. Luego, se puede inyectar un grupo corto de electrones en la estela de protones para acelerarlo a alta energía. Para que los electrones cabalguen las ondas del plasma de manera eficiente, la longitud del grupo de protones debe ser igual a la longitud de onda del plasma. Afortunadamente, el largo haz de protones del SPS se rompe automáticamente en grupos tan pequeños cuando se propaga a través del plasma (se "automodula"), que es lo que permitió a AWAKE demostrar la primera aceleración de electrones usando esta técnica en 2018.

"Para preservar la reproducibilidad de todo el haz de protones modulado y, por lo tanto, su capacidad para acelerar electrones, ideamos una técnica para controlar exactamente cuándo comienza la modulación:lo sembramos con un grupo de electrones inicial, diferente del objetivo de la aceleración. Al inyectar este grupo varios cientos de picosegundos antes de que los protones ingresen al plasma, el frente del haz de protones se modula en sincronía, creando un campo de estela regular cuya fase se puede medir con precisión", explica Livio Verra, físico en Lepton Accelerators and Facilities. (ABP-LAF) del departamento de Vigas y primer autor del artículo. La inyección del grupo de electrones cuya aceleración apunta el experimento se puede sincronizar perfectamente. Por lo tanto, la aceleración se vuelve sostenible y controlada, produciendo un gradiente general sin precedentes.

Edda Gschwendtner, líder del proyecto AWAKE en el CERN, mira hacia el futuro con optimismo:"El éxito final de la tecnología wakefield desarrollada por AWAKE se basa en la viabilidad de sembrar la automodulación del grupo de protones. Con este hito ahora logrado, la colaboración es listos para enfrentar nuestros próximos desafíos, comenzando con la puesta en servicio de una nueva fuente de plasma".

Esta fuente, que está siendo desarrollada por el Instituto Max Planck de Múnich, Alemania, generará un plasma con dos regiones de diferente densidad (y, por tanto, de distinta temperatura), lo que aumentará aún más el gradiente de aceleración global respecto al conseguido. hasta aquí. La introducción de una nueva fuente de plasma es solo un aspecto del rico programa de estudios que se llevará a cabo durante la segunda ejecución de física de AWAKE.

Long Shutdown 3 del CERN verá el desmantelamiento de los últimos componentes restantes de la instalación de CNGS. AWAKE planea aprovechar al máximo esta oportunidad, utilizando el espacio liberado para las próximas fases del experimento. Estas fases se centrarán en acelerar los electrones a alta energía mientras se preserva la calidad del haz, un requisito previo para futuras aplicaciones en física de partículas.

Paralelamente, la colaboración continuará desarrollando tecnologías de fuente de plasma escalables, como células de plasma de descarga y helicón, que son clave para aumentar el alcance final de la energía. Una vez que estas tecnologías hayan sido validadas y se haya demostrado la aceleración controlada de electrones, se abrirá la puerta a futuras aplicaciones de alta energía, como experimentos con objetivos fijos en busca de materia oscura. + Explora más

El concepto 'Awake' sincroniza grupos de protones